رژیم های روغنرسانی

با درود و احترام

هدف از این پست، پاسخ به پرسش مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ درباره انواع رژیم های جریان روغن است.

شرح سوال: انواع رژیم های جریان روغن که در پست «محاسبه دبی روغن به ژورنال برینگ ها» بدان اشاره کرده اید، چیست؟ توضیح کامل می خواستم.

پاسخ به این سوال، با توجه به متون و منابع مختلف فنی و مهندسی در زمینه روغنرسانی و آنالیز روغن، متفاوت است. چراکه هر یک از این منابع، براساس اهداف نویسنده و دامنه خوانندگان و مخاطبان خود، اقدام به تنظیم دسته بندی رژیم های مختلف روغنرسانی به ادوات مکانیکی کرده اند و این، حداقل از نظر نویسنده این سطور، کاملا درست است. بدلیل اینکه هر یک از رژیم های روغنرسانی، در واقع، ابزاری در دست طراح سیستم یا مدار روغنرسانی هستند تا عمر مفید یک قطعه یا مجموعه ای از اجزای یک سیستم ترمودینامیک/هیدرودینامیک را مشخص کنند.

در همین راستا، برخی منابع مهندسی و طراحی اجزا، انواع رژیم های جریان روغن را بر سه، و برخی بر پنج بخش، می دانند. اما، در اینجا، و بطور کلی، چهار نوع و حالت از جریان روغن را معرفی خواهیم کرد: روغنرسانی مرزی، مخلوط، الاستو-هیدرودینامیک، و هیدرودینامیک.

توضیح این نکته لازم است که در برخی از منابع مهندسی، بیشتر موتور های دیزل سنگین، و برخی منابع طراحی اجزای موتور های high performance هوایی یا خودرویی، از اصطلاح الاستو-ترمو-هیدرودینامیک نیز بعنوان شاخه ای از رژیم های روغنرسانی به برینگ ها استفاده شده است که در این پست، آن را زیر مجموعه ای از حالت سوم دانسته و بدون اینکه آن را حالتی مستقل بخوانیم، صرفا بدان اشاره ای خواهیم کرد.

الف) روغنرسانی مرزی (Boundary Lubrication Regime):

این تیپ از روغنرسانی در تماس فلز با فلز (Metal-to-Metal contact) اجزای محرک و متحرک یک ماشین بیشترین کاربرد را دارد. این حالت از تماس بین سطوح، در موارد زیر نمود پیدا می کند:

- در اولین لحظات استارت موتور (مانند ژورنال برینگ ها)؛

- طی آخرین لحظات خاموش کردن و از حرکت ایستادن موتور (مانند ژورنال برینگ ها)؛

- در شرایط بارگذاری متمرکز و سنگین (مانند پین ها و بوش های ماشین آلات ساختمانی)

در چنین شرایطی، سطوح فلزی قطعات درگیر با یکدیگر در مجموعه مونتاژی (Mating Parts) در لحظاتی هرچند کوتاه با یکدیگر درگیری شدید پیدا کرده و تنش های برشی و سطحی بزرگی را متحمل می شوند. در این حالت، اگر فیلم روغن از ضخامت کافی برخوردار نباشد تا زبری سطوح درگیر را جبران نکند، بیش از 90 درصد بار روی قله های ناهمواری بین دو سطح (در حالت میکروسکوپیک) وارد و متمرکز خواهد شد. در این حالت، شاخص لامبدا کمتر از یک خواهد شد (شکل 1 را ببینید).

شکل 1: شماتیکی از رژیم روغنرسانی مرزی

اصولا، سعی بر این است که در روغنرسانی به مرحله روغنرسانی مرزی نرسیم. چراکه به عقیده بیشتر متخصصان روغنکاری، احتمال بروز آسیب به قطعات مونتاژی در یک مجموعه در این حالت بسیار بالاست که آنهم به دلیل اصطکاک در بالاترین حد خود می باشد.

اما، شاخص لامبدا (λ) چیست؟ در دانش سوده شناسی (Tribology)، بمنظور توصیف هر یک از حالت های تشکیل فیلم روغن بین فضای تماسی بین سطوح جامد (و صلب!) از شاخصی بنام لامبدا استفاده می شود که تعریف فیزیکی آن نسبت ضخامت فیلم روغن به زبری (ناهمواری) دو سطح درگیر است. بدین ترتیب: - وقتی لامبدا از یک (در برخی منابع: 1.2) کوچکتر شود، روغنرسانی در حالت مرزی در حال انجام است. - وقتی لامبدا بین 1 (در برخی منابع: 1.2) و 3 (در برخی منابع: 2) قرار گیرد، روغنرسانی در حالت مخلوط یا فیلم نازکی از روغن انجام می پذیرد. و در آخر - وقتی شاخص لامبدا از عدد 3 (در برخی منابع: 2) عبور کند، ضخامت فیلم روغن به بالاترین حد خود رسیده و اصطلاحا، روغنرسانی در حالت فیلم کامل (هیدرودینامیک) انجام می شود. این مراحل، در نموداری بنام «نمودار استریبک» نشان داده شده است. شکل 2 را ببینید. شکل 2: نمودار استریبک در سه حالت روغنرسانی مرزی، مخلوط، و روغنرسانی هیدرودینامیک

همانطور که قبلا اشاره شد، روغنرسانی در حالت مرزی بیشتر در حین استارت و خاموش کردن تجهیز، یا در بارگذاری های سنگین و کم سرعت اتفاق می افتد. اما، در حالت عمومی، وقوع این حالت از روغنرسانی را می توان در هر موقعیتی دانست که دو سطح روغنکاری شده، طی حرکت نسبی، در معرض تماس فیزیکی با یکدیگر قرار گرفته و بدین ترتیب، پتانسیل چسبندگی و ساییدگی سطوح در این حالت به بیشترین مقدار خود می رسد. بنا به عقیده بیشتر کارشناسان روغنرسانی و سوده شناسی، نزدیک به 70 درصد خرابی های ناشی از چسبندگی بین سطوح یا ساییدگی آنها در دو زمان استارت یا خاموش کردن تجهیز رخ می دهد.

اما، بمنظور فرار از عواقب ناشی از روغنرسانی مرزی چه راهکار هایی پیش رو است؟ یکی از رایجترین و آسانترین راهکار ها در این زمینه، انتخاب ویسکوزیته سینماتیک مناسب برای روغنکاری سطوح می باشد. روانکاری که از ویسکوزیته سینماتیک خیلی پایینتی برخوردار باشد، قادر به حفظ ضخامت فیلم روغن (و در نتیجه: ایجاد حائلی بین سطوح فلزی درگیر) نخواهد بود که نتیجه بلافصل آن، تماس فیزیکی بین دو سطح فلزی خواهد بود. اما، این همه ماجرا نیست و این سکه روی دیگری هم دارد! چراکه با افزایش بیش از حد ویسکوزیته سینماتیک، تمایل به اصطکاک بین ملکول های روغن نیز افزایش یافته و پدیده ای با عنوان «ماسیدگی روغن» پیش خواهد آمد که خود عامل مهمی در افزایش دمای سطوح تماسی خواهد بود. برای اطلاعات و جزییات بیشتر در این زمینه، مراجعه به پست «داغ شدن برینگ ها» در همین وبلاگ توصیه می شود.

روش دومی که در این تیپ از موارد کاربرد دارد (بیشتر در زمینه چرخدنده ها و کمپرسور ها)، استفاده از روانکار هایی با فرمولاسیون تقویت شده (شامل انواع ادتیو های ضد سایشی و Extreme Pressure ها) است. هدف از اینکار، واکنش این ادتیو ها با ناهمواری های سطحی دو سطح فلزی درگیر (در حضور فشار و دمای بالا) و تشکیل لایه ای محافظ و فدا شونده روی سطوح فلزی است که قابلیت بازسازی و ترمیم دارد. بدین ترتیب، لایه ای محافظ و ناپایدار روی سطوح فلز تشکیل خواهد شد که در اثر فشار و سایش از میان رفته و با جریان یافتن مجدد روغن و واکنش دهی ادتیو های درون ساختار شیمیایی آن با فلز پایه، دوباره ترمیم خواهد شد. شکل 3 را ببینید.

شکل 3: شماتیکی از ساختار سطوح درگیر فلزی و لایه های مختلف تشکیل شده روی آنها

ب) روغنرسانی مخلوط (Mixed Lubrication Regime):

بطور کلی، با افزایش سرعت لغزش بین سطحی، روغنرسانی در حالت مرزی کمرنگ شده و به تدریج حالتی از تجمع نامتقارن و مقطعی روغن در بخش هایی از مسیر جریان روغن بین دو سطح فلزی مماس با یکدیگر رخ می دهد که بخاطر شکل تقریبا سه گوش آن به Oil Wedge یا گوه روغن معروف است. بدین ترتیب، با کاهش احتمال تماس فیزیکی بین سطوح و به تبع آن، افزایش ضخامت فیلم روغن، ضریب اصطکاک بین سطوح درگیر نیز کاهش یافته و به حدی می رسد که در سوده شناسی به روغنرسانی در حالت مخلوط معروف است. در این حالت، بدلیل وجود گوه روغن و اصل تراکم ناپذیری این سیال، شاهد مقداری نابالانسی در حین چرخش خواهیم بود. این حالت از روغنرسانی به سطوح درگیر، در واقع، برزخی بین روغنرسانی مرزی و روغنرسانی در حالت تشکیل فیلم کاملی از روغن (روغنرسانی هیدرودینامیک/الاستو-هیدرودینامیک) بوده و با افزایش ضخامت فیلم روغن، کم کم شاهد تشکیل فیلم کاملی از روغن در فضای مابین سطوح تماسی خواهیم بود.

شکل 4: شماتیکی از رژیم روغنرسانی مخلوط

ج) روغنرسانی هیدرودینامیک (Hydrodynamic Lubrication, HDL, Regime):

شرط این حالت از روغنرسانی، تشکیل فیلم کاملی از روغن مابین سطوح لغزنده (مانند سطح شفت و ژورنال برینگ) است که بمنظور برقرار این شرط، به کیفیت مونتاژ و انطباق هندسی بالایی بین سطوح قطعات مونتاژی در یک مجموعه مکانیکی نیاز است. یکی از شروط این کیفیت مونتاژ بالا، انطباق شعاع انحنای سطوح متقابل (مانند انحنای سطح خارجی شفت و سطح داخلی ژونال برینگ) بوده که مستقیما منجر به کاهش فشار تماسی (100~300psi) در، مثلا، ژورنال برینگ های صنعتی در زمان حرکت نسبی خواهد شد.

شکل 5: شماتیکی از رژیم روغنرسانی هیدرودنامیک

رسیدن به این حالت از روغنرسانی پس از طی شرایط بالغ بر دو حالت رژیم روغنرسانی قبلی بوده و در حالت کلاسیک، بدون گذر از آنها حاصل نمی شود. اما، زمان و کیفیت عبور از دو رژیم روغنرسانی قبلی در مدیریت خرابی ادوات روتاری نقش حیاتی دارد. در این رژیم از روغنرسانی، حجم سه گوش روغنی که نطفه آن در رژیم روغنرسانی مخلوط بسته شده بود، به بهترین حالت خود رسیده و با تکیه بر اصل تراکم ناپذیری روغن، بعنوان بالشتی بین دو سطح متقابل عمل می کند. بدین ترتیب، ریسک برخورد و سایش دو سطح با یکدیگر به حداقل مقدار خود می رسد. در این رژیم، تنها عامل اصطکاکی ناشی از حرکت نسبی لایه های روغن نسبت به یکدیگر است که تا حدودی موجب افزایش دما خواهد بود.

شکل 6: شماتیکی از نحوه عملکرد بالشتک سه گوش روغن

ضخامت فیلم روغن در این رژیم بین 2 تا 100 میکرون بوده و در ژورنال برینگ های بسیار بزرگ (مانند انواع توربین های بزرگ نیروگاهی) به 300 میکرومتر نیز می رسد. بمنظور حفظ این محدوده ضخامت فیلم روغن، لازم است که ویسکوزیته سینماتیک روغن طوری انتخاب شود که رژیم روغنرسانی به برینگ ها در هر ترکیبی از شرایط عملکردی (سرعت بالا و بار سنگین، سرعت بالا و بار سبک، سرعت پایین و بار سنگین، و...) حفظ شود.

د) روغنرسانی الاستو-هیدرودینامیک (Elasto-Hydrodynamic Lubrication, EHL, Regime):

این حالت از روغنرسانی زمانی اتفاق می افتد که یکی از شروط زیر در روغنرسانی هیدرودینامیک برقرار باشد:

- حرکتی غلتشی (Rolling Motion) بین سطوح متقابل برقرار باشد: این نوع از حرکت گردابی، هرچند کوچک، می تواند موجب افزایش فشار سطحی یا حتی تمرکز تنش در بخش هایی از هر یک از سطوح قطعات درگیر را فراهم آورد؛

- عدم تطابق هندسی (Surface Dissimilarity) بین سطوح درگیر وجود داشته باشد: هرگونه عدم تطابق هندسی بین سطوح درگیر، موجب برهم خوردن الگوی توزیع فشار بین دو سطح شده و نتیجتا، فشار تماسی (بین چند صد تا چند هزار psi) بالا خواهد رفت

- فیلم روغن در بخشی از مسیر ناگهان نازک شده ولی بعد به شرایط معمول خود بازگردد: از این حالت که در برخی از منابع با عنوان رژیم روغنرسانی ترمو-الاستو-هیدرودینامیک یاد می شود، بیشتر می تواند ناشی از تمرکز تنش های حرارتی در بخش هایی از یکی از سطوح درگیر یا فساد روغن باشد.

شکل 7: شماتیکی از رژیم روغنرسانی الاستو-هیدرودینامیک

وقتی روغن طی سیر طبیعی مدار روغنرسانی خود وارد محوطه بین المان غلتشی (Rolling Element) و سطح متقابل آن (معمولا Raceway) می شود که در برخی منابع به منطقه تماس (Contact Zone) معروف است، فشار آن بطور ناگهانی افزایش می یابد. این افزایش ناگهانی فشار بصورت مستقیم روی ویسکوزیته سینماتیک و بصورت غیرمستقیم روی تراکم پذیری فیلم روغن اثر می گذارد. از سوی دیگر، آن بخشی از سطوح جامد و صلب که در منطقه تماس قرار دارند نیز، تحت تاثیر تمرکز فشار و تنش، و در پاسخ طبیعی به آن، دچار اندکی تغییر شکل (صاف شدن) الاستیک خواهند شد. توجه شود که در حالت تمرکز حرارت (ترمو-الاستو-هیدرودینامیک) شدت این تغییر شکل و کیفیت بازگشت به حالت اولیه آن (کرنش الاستیک) تحت تاثیر قرار گرفته و نسبت به EHL تغییر خواهد کرد. بدیهی است که خواص متالورژیک و مشخصات گرماکاری (عملیات حرارتی) سطوح درگیر در نحوه پاسخ به این محرک فیزیکی، و لذا رفتار خرابی تجهیز، نقش بسزایی دارند.

در اغلب موارد، ضخامت فیلم روغن در این رژیم، یک (1) میکرون در نظر گرفته می شود. این مقدار با توجه به محدوده ارتفاع قلل ناهمواری های سطحی 0.4 تا 0.8 میکرون در نظر گرفته شده است.

روغن هیدرولیک چیست؟

با درود بیکران

هدف از این پست، ارائه پاسخ به پرسش مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین این وبلاگ در زمینه تعریف روغن هیدرولیک است.

شرح سوال: روغن هیدرولیک چیست و با چه تست هایی شناخته می شود؟

بنا به تعریف، روغن هیدرولیک به دسته ای از روانکار های صنعتی اطلاق می شود که علاوه بر نقش روانکاری، بعنوان واسطه ای برای انتقال قدرت نیز عمل می کنند. با این تفاوت که انتقال قدرت در این دسته از روغن ها، برخلاف انواع چرخدنده ای، بصورت آزاد انجام نگرفته و از طریق لوله های و شیلنگ های طراحی شده برای اینکار انجام می پذیرد. بهمین دلیل، ادواتی که قرار است انتقال قدرت را انجام دهند، مانند پمپ ها، ردیوسر ها، و... نیز باید به همین منظور طراحی و تست شوند. عامل اصلی در تعیین کیفیت عملکرد روغن های هیدرولیک، مقاومت آنها به کاهش حجم تحت فشار (اصل تراکم ناپذیری) و ویسکوزیته دینامیک است. در برخی از طراحی ها، مدار هیدرولیک علاوه بر انتقال قدرت و روانکاری، وظیفه خنک کاری (انتقال حرارت تحت مکانیزم همرفتی) را نیز برعهده دارند. اما، از آنجا که این وظیفه سوم نقش اساسی در فرمولاسیون روغن های هیدرولیک ندارد، ادتیو های استانداردی که به ترکیب شیمیایی این دسته از روغن ها اضافه می شوند، بمنظور ایجاد مقاومت به سایش، خوردگی، و انحلال ذرات معلق در ساختار روغن هستند. از دیدگاه فیزیکی، روغن های هیدرولیک اغلب اشتعال پذیر بوده و نسبت به شارژ الکترواستاتیک حساس هستند. حال آنکه چنین نقطه ضعفی در سایر انواع روغن های صنعتی کمتر دیده می شود.

در روزگار قدیم، سیستم های هیدرولیک اولیه از آب بعنوان واسطه انتقال قدرت استفاده می شد که وجه تسمیه هیدرولیک از همین انتخاب می آید. اما، با توجه به بروز عیوبی اعم از خوردگی و ضعف در روانکاری، به تدریج روغن های هیدروکربنیک پایه نفتی (بیشتر حاصل واکس زدایی از پارافین تولید شده از پالایش نفت خام) جایگزین آن شدند که بزرگترین نقطه ضعف آنها اشتعال پذیری می باشد. انواع سینتتیک، اما، از این نقطه ضعف مبرا بوده و از انواع روغن های صنعتی و گیاهی تشکیل می شوند.

اصولا، کیفیت روغن های هیدرولیک، به ترتیب اولویت، با مشخصات پایه ای زیر تعیین می شود:

- ویسکوزیته دینامیک در حداقل سه نقطه دمایی: معمولا صفر، 20، 40، و 60 درجه سلسیوس. البته، دمای حداکثر و حداقل این نقاط بسته به نظر کارشناس آنالیز روغن قابل جابجایی است؛ برای اطلاعات بیشتر به پست های "انتخاب روغن هیدرولیک" و "نقش دانسیته در خواص روغن ها" در همین وبلاگ مراجعه بفرمایید.

- شاخص ویسکوزیته (Viscosity Index): معمولا بین 150 تا 200

- تمایل به انحلال رطوبت و هوا: برای اطلاعات بیشتر به پست "تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب" در همین وبلاگ مراجعه بفرمایید.

- عدد pH و عدد اسیدی: برای اطلاعات بیشتر به پست "عدد اسیدی، عدد قلیایی، و pH روغن" در همین وبلاگ مراجعه بفرمایید.

- آنالیز عناصر شیمیایی: برای اطلاعات بیشتر در خصوص این تست به پست "جایگزین سازی روغن هیدرولیک بدون روی (Zinc Free)" در همین وبلاگ مراجعه بفرمایید.

اما، توجه به این نکته لازم است که بسته به نوع و ترکیبات روغن هیدرولیک مورد نیاز، انجام تست ها یا درخواست مشخصات بیش از آنچه که در فوق بیان شد، بسته به تشخیص کارشناس آنالیز روغن قابل تعیین و الزام خواهد بود.

جدا شدن ادتیو از روغن موتور

با درود بیکران
هدف از این پست، پاسخ به مشکل پیش آمده برای یکی از مخاطبین این وبلاگ است که طی پرسش و پاسخ و تبادل ایده در تلگرام اتفاق افتاده بود و اکنون با کسب اجازه از ایشان و بمنظور حل مشکلات مشابه در قالب این پست انتشار می یابد.
شرح سوال: موتور دیزل 16 سیلندری داریم که در مجتمع ما بعنوان ژنراتور مورد استفاده قرار می گیرد. اخیرا، در مدار روغنرسانی آن متوجه تشکیل بلور های ریزی شدیم که درون فیلتر ها گیر می کرد و حتی مسیر روغن را نیز بند آورده بود. پس از آنالیز شیمیایی متوجه شدیم که نمونه روغن پر از بلور های بوتیل هیدروکسی تولوئن (BHT) است. در تماس با تامین کننده روغن متوجه شدیم که روغنساز از این ماده بعنوان ادتیو آنتی اکسیدان در ترکیب روغن خود استفاده می کند و تاکنون هیچ مشتری چنین موردی را گزارش نکرده بوده است. از ابتدای کار این موتور (حدود 20 سال پیش) نیز این اولین بار است که با چنین مشکلی روبرو شده ایم. چرا در دیزل ما BHT بصورت بلور درآمده و راه حل این مشکل چیست؟
بمنظور پاسخ به این مشکل، ابتدا باید بوتیل هیدروکسی تولوئن را شناخت و در مرحله بعد، به آنالیز خرابی پرداخت.
بوتیل هیدروکسی تولوئن یا BHT، نه تنها در روغن ها، بلکه در بسیاری از محصولات آرایشی و بهداشتی نیز بعنوان آنتی اکسیدان (با مکانیزم ایجاد تاخیر در فرآیند اکسیداسیون از طریق جذب یا به دام انداختن رادیکال های آزاد حاصل از واکنش یک سیستم هیدروکربنیک به اکسیداسیون) مصرف دارد. اما، نکته اینجاست که این ادتیو در حالت عادی (پس از تولید روغن و در زمان بسته بندی و حمل) بصورت محلول در سیستم روغن وجود دارد. بنابراین، قطعا مکانیزم هایی وجود دارد که این کامپاند را از سیستم مادر جدا کرده و مشکل ساز شود. بنابراین، تا اینجای کار، هیچ چیز عجیب و غریبی اتفاق نیافتاده است.
در یک سیستم روغنرسانی، دلایل متعددی وجود دارد که ادتیو های مختلف حاضر در جریان روغن حالت محلول خود را از دست داده و بصورت معلق در بیایند. در این میان، ادتیو هایی که سنگینتر هستند، مانند انواع Extreme Pressure (که بیشتر در روغن های چرخدنده و برخی روغن های برینگی استفاده بیشتری دارند)، کف زدا ها (Foam Inhibitors)، و برخی ادتیو های ضد سایشی (Anti-Wear ها) می توانند به سادگی و با طولانی شدن زمان انبارش از سیستم روغن جدا شده و بصورت معلق، لایه ای را روی سطح روغن تشکیل دهند. اما، در مورد آنتی اکسیدان ها، این موضوع کمی دشوارتر است؛ اما غیرممکن نیست!
بعنوان یک قانون کلی، هرچه محیط نگهداری و انبارش روغن کنترل کمتری (از هر دو دیدگاه زمان و شرایط ترمودینامیک) داشته باشد، شانس جدا شدن ادتیو ها از ساختار شیمیایی آن بیشتر می شود. روغن های موتوری، در مقایسه با سایر روغن های صنعتی، از کوتاهترین مدت زمان انبارش (Shelf life) برخوردارند. چراکه این دسته از روغن ها از بیشترین میزان ادتیو های سنگین در ساختار خود بهره می برند و باید در کوتاه ترین زمان ممکن پس از تولید به مصرف برسند.
آلودگی نیز می تواند یکی از عوامل بالقوه در رسوب ادتیو ها باشد. بسیاری از ادتیو ها از ساختار فیزیکی قطبی بهره برده و از این رو، به میدان های مغناطیسی ناشی از انواع ترکیب های شیمیایی قوی تر تمایل نشان می دهند. آلودگی هایی مانند لجن، رطوب (آب)، انواع سوخت (بنزین و گازوییل)، و ذرات فلزی نیز دارای طبیعت قطبی هستند. با این تفاوت که از ساختار پایدارتری برخوردار بوده و به همین جهت قادر به جذب ادتیو ها به سوی خود و تشکیل کامپاند های جدید و سنگینتر هستند که بمرور در روغن ساکن (مثلا در انبار) رسوب خواهند کرد. در جریان روغن درون یک سیستم روغنرسانی نیز این کامپاند ها توسط فیلتر ها جذب و از جریان روغن جدا خواهند شد. اما، این عمل طبیعی فیلتر ها، موجب کاهش تدریجی حضور ادتیو ها در سیستم روغن خواهد شد که در برخی منابع مهندسی به فرآیند ادتیو زدایی یا Additive Depletion معروف است.
در این میان، برخی ادتیو ها هستند که بدلیل سایز و ابعادشان توسط فیلتر ها از جریان روغن جدا می شوند. این اتفاق بیشتر در مورد ادتیو های فوم زدا یا Anti-Foaming می افتد. چراکه این تیپ از ادتیو ها بیشتر به معلق شدن در روغن تمایل دارند و محلول های پایداری نیستند. ذرات معلق حاصل از آنها نیز سایز بزرگتری نسبت به بقیه ذرات داشته و در فیلتر های خیلی ریز گیر می افتند. به همین دلیل است که اوورفیلترینگ و استفاده از فیلتر های خیلی ریز در روغن های موتوری توصیه نمی شود.
علاوه بر این، با تغییر شرایط ترمو-هیدرودینامیک روغن (اعم از سرعت، فشار، و دما)، انحلال پذیری آن در برابر ادتیو ها و برخی آلودگی ها نیز کاهش خواهد یافت. بخصوص در سیستم روغنرسانی برخی دیزل های قدیمی، با عبور روغن از ونتوری، دچار افت فشار خواهد شد. همین افت فشار، گویا، در کنار باقی ماندن بیش از حد در انبار، باعث شده است که جریان روغن مصرفی در موتور دیزل شما قابلیت انحلال خود در برابر ادتیو های آنتی اکسیدان را نیز از دست داده و موجب تشکیل رسوبات بلور های آزاد BHT شود. همین داستان توسط بنده در برخی تکنیک های تصفیه و وارنیش زدایی از جریان روغن مشاهده شده است. جایی که با ایجاد افت فشار ناگهانی در جریان روغن، آن را مجبور به آزاد سازی ذرات محلول در خود و جمع آوری آنها توسط فیلتر های مخصوص می کنند.
در همین راستا، و بعنوان نتیجه گیری، احتمال اینکه موتور شما پس از تعمیرات اساسی دچار آلودگی برخی از قطعات سیستم روغنرسانی آن به بنزین شده باشد (مثلا بدلیل عدم خشک کردن کامل قطعات شستشو داده شده با بنزین و نصب مجدد آنها) دور از ذهن نیست. چراکه ذرات بنزین در ترکیب با سیستم روغن هیدروکربنیک شما می تواند انحلال پذیری برخی ادتیو ها را ضعیف کرده و موجب تشکیل بلور های BHT شود.
بعنوان راهکار، دو مورد زیر پیشنهاد می شود:
- پرجینگ سیستم روغنرسانی و سوخترسانی موتور با توسل به ازت مایع و پرفشار؛
- تغییر موقتی روغن از مینرال به سینتتیک، در عین حفظ گرید ویسکوزیته.

نقش دانسیته در خواص روغن ها

با درود و احترام

هدف از این پست، پاسخ به سوال مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ و یکی از شرکت کنندگان محترم در دوره آنالیز روغن ماشین آلات صنعتی در اراک است.

شرح سوال: نقش دانسیته در عملکرد عمومی یک لوبریکانت چیست؟

پاسخ به این سوال، بیشتر به حوزه لوبریکانت های حامل بار، خاصه روغن های هیدرولیک و چرخدنده، مربوط است. از دیدگاه عمومی، دانسیته نه تنها یکی از مهمترین شاخص های عملکردی روغن ها و لوبرینکانت ها، که همه سیالات محسوب می شود. چراکه شاخصی از میزان جرم آنها در یک فضای واحد بوده و تصمیم گیری در مورد عملکرد مورد انتظار از یک سیال در یک سیستم مکانیکی را تسهیل می کند. بعنوان مثال، دانسیته آب 62.4 پاند در فوت مکعب است. البته در دمای اتاق! چراکه این مشخصه فیزیکی نیز مانند بسیاری از مشخصات فیزیکی مواد مهندسی، تابعی از دما است.

اما، از دیدگاه خصوصی، که بیشتر به موضوع این وبلاگ نزدیک است، لوبریکانت ها دانسیته به مراتب کمتری نسبت به آب دارند و این بدان معنی است که انواع لوبریکانت روی آب شناور خواهند شد. درست به همین دلیل است که وقتی آب (یا رطوبت) به هر دلیلی وارد مدار روغن هیدرولیک و... می شود، در محل آرامش سیستم (معمولا مخزن روغن) جمع شده و در بخش تحتانی مخزن، زیر توده روغن، جای گرفته و با باز کردن شیر یا پلاگ تخلیه، قبل از روغن خارج می شود.

از آیتم دانسیته، معمولا بعنوان جایگاه دوم (پس از ویسکوزیته دینامیک) در محاسبات مربوط به مدار های هیدرولیک استفاده می شود. چراکه محاسبات هیدرولیک براساس ویسکوزیته سینماتیک (حاصل تقسیم ویسکوزیته دینامیک بر دانسیته) انجام پذیرفته و عملکرد سیستم در حالات مختلف فشاری و دمایی (شرایط متعارف ترمودینامیک) محاسبه و پیش بینی می شود. بنابراین، واضح است که حداقل در مورد انواع روغن هیدرولیک و چرخدنده، معلوم بودن دانسیته روغن، بمنظور در اختیار گرفتن تصویری واضح از عملکرد سیستم در شرایط مختلف ترمودینامیک لازم و ضروری است. این ضرورت وقتی پررنگتر می شود که بدانیم هر دو آیتم حیاتی در محاسبات هیدرودینامیک یک سیستم روغنرسانی (یعنی ویسکوزیته و دانسیته) با دما تغییر می کنند.

یکی از عوامل اصلی در تعیین و مقایسه دانسیته مواد مختلف (در اینجا: سیالات تراکم ناپذیر)، وزن مخصوص آنها است که نسبتی از دانسیته آن ماده به دانسیته آب است. وزن مخصوص آب برابر یا یک است. بنابراین، هر سیال تراکم ناپذیری که از آب سنگینتر باشد، باید وزن مخصوصی بیشتر از یک داشته باشد و برعکس.

این مشخصه فیزیکی یکی از عوامل حیاتی در تعیین خواص یک سیال تراکم ناپذیر (بخصوص انواع روغن) می باشد. بعنوان مثال، افزایش دانسیته یک روغن به معنی سفتتر شدن آن است. این بدان معنی است که چنین روغنی به زمان بیشتری برای ته نشین کردن ذرات معلق درون جریان خود در مخزن (محفظه آرامش) دارد. وزن مخصوص این ذرات معلق و جامد چیزی بین 2.44 تا 3.6 است که با سفتتر شدن روغن، با مقاومت بیشتری از طرف سیال برای ته نشین شدن در کف مخزن روبرو شده و عملا زمان طولانی تری به همراه جریان روغن در حرکت خواهند بود. این عامل، به المان های فیلتراژ فرصت جمع آوری موثرتر این ذرات را می دهد. از سوی دیگر، طولانی تر شدن زمان ته نشست ذرات جامد معلق، فرصت تشکیل لجن را از آنها خواهد گرفت. چیزی که در سیستم های هیدرولیک پتانسیلی برای بروز خرابی است! چراکه مدار های هیدرولیک نسبت به ورود و رسوب ذرات آلاینده در جریان روغن بسیار حساسند و بدین ترتیب، خطر بروز مشکلاتی مانند گرفتگی (انسداد) مقطعی مدار، کاویتاسیون (در هر دو بخش مکش پمپ و جریان پایین دست پمپ به اوریفیس ها)، و خوردگی (در هر دو مکانیزم فرسایشی و گالوانیک) افزایش خواهد یافت. از موارد منفی افزایش دانسیته روغن های حامل بار می توان به افزایش مصرف پمپ (نیاز به توان پمپاژ بیشتر)، افزایش تنش روی قطعات پمپ، پمپاژ ضعیف ناشی از اینرسی روغن.

بسیاری از روغن های چرخدنده دانسیته ای بیشتر از آب دارند. بویژه انواع فسفات-استر ها که دارای وزن مخصوصی بالاتر از یک بوده و در این سیستم ها، آب اغلب روی روغن خواهد ایستاد. اما، افزایش دانسیته روغن های چرخدنده می تواند عامل مخربی در جهت سایش قطعات در تماس با آنها باشد.

از سوی دیگر، نه تنها ذرات معلق آلاینده جریان روغن موجب افزایش دانسیته روغن خواهند شد، بلکه آلاینده هایی مانند آب و هوا نیز (بویژه در حالت معلق) می توانند عامل موثری در تغییر دانسیته یک روغن محسوب شوند. اکسیداسیون نیز عامل موثر دیگری در جهت افزایش دانسیته روغن به شمار می رود.

بعنوان نتیجه گیری، در سیستم های روغنرسانی که پمپاژ مساله مهمی در برآورد کارآیی یک سیستم بشمار می رود (بویژه در سیستم های هیدرولیک و برخی چرخدنده ها)، تغییر دانسیته روغن می تواند تاثیر مستقیمی بر راندمان پمپاژ داشته باشد.

عدد قلیایی (Base Number) مناسب برای روغن موتور

با درود و احترام

هدف از این پست، پاسخ به پرسش مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ در خصوص شاخصی برای عدد قلیایی یا Base Number  (BN) انواع روغن است.

شرح سوال: عدد قلیایی (BN) یک روغن چقدر باید باشد؟

پاسخ به این سوال (که بسیار کلی طرح شده است) مستلزم شناخت این شاخص کیفی است. عدد قلیایی یا BN که بیشتر در مورد کیفیت روغن های موتوری (یا ژنراتور ها) مطرح است تا دیگر روغن های صنعتی، بصورت قابلیت یا توانایی یک سیستم روغن در خنثی سازی ترکیبات اسیدی تعریف می شود که حین عملکرد روغن، طی یک مدت زمان محدود، تولید و به سیستم روغن معرفی می شوند. بدین ترتیب، هرچه میزان عدد BN بزرگتر باشد، سیستم روغن قادر به خنثی سازی ترکیبات اسیدی قوی تری خواهد بود، و برعکس.

روغن های موتوری نو معمولا از عدد قلیایی بین 5 تا 15 (BN 5~15) برخوردارند که با کارکرد آن در طول زمان و ورود ترکیبات اسیدی به جریان روغن، این عدد افت خواهد کرد. نظارت بر روند این افت، از طریق آنالیز شیمیایی روغن ممکن است و بدین ترتیب، کارشناس نگهداری و تعمیرات قادر به پیش بینی روند کاهش عدد قلیایی روغن درون موتور یا ژنراتور خواهد بود. با رسیدن عدد قلیایی روغن موتور به 3 یا کمتر از آن، زمان تعویض روغن فرا رسیده و روغن ژنراتور یا موتور باید پس از توقف عملکرد بایستی تعویض شود. البته، روند این افت در عدد قلیایی در مورد موتور ها یا ژنراتور های دیزلی که از سیستم احتراق دو زمانه استفاده می کنند، کندتر و آهسته تر است که بیشتر به علت سرریز بیشتر در فواصل زمانی معین است که موجب استحکام بخشی مجدد جریان روغن یا Engine Oil Refortification خواهد شد. در این صورت، زمان تعویض را نمی توان تنها براساس عدد قلیایی یا BN تعیین کرد و باید از آنالیز عنصری نیز بهره برد.

اما، عدد قلیایی چرا در طول زمان افت می کند؟ این روند دلایل متعددی دارد که از مهمترین آنها می توان به کیفیت پایین سوخت (معمولا گوگرد بالا در سوخت های دیزلی یا اکتان پایین در بنزین ها) و اکسیداسیون تدریجی روغن اشاره کرد. طی فرآیند احتراق در موتور های درونسوز، سوختی که از کیفیت احتراق پایینی برخوردار باشد، موجب تولید ترکیبات سولفوردار و نیتروژن دار در محصولات احتراقی خواهد شد که در نهایت، تلفیق شیمیایی این محصولات با ترکیبات هیدراته (آب دار) و اکسیژنه (در حضور حرارت و فشار)، موجب تولید کامپاند های اسیدی قوی مانند اسید سولفوریک و اسید نیتریک خواهد شد که توسط جریان روغن جمع آوری شده و موجب اسیدی و خورنده شدن آن می گردند. به همین دلیل، ادتیو های حاوی کامپاند های قلیایی قوی به ساختار شیمیایی این تیپ از روغن ها معرفی می شوند تا حمله این کامپاند های اسیدی را خنثی کنند. اما، از آنجا که حضور این ترکیبات اسیدی همیشگی و گاه با شدت و ضعف همراه است، مقدار عدد قلیایی روغن به مرور زمان دچار افت خواهد شد. از سوی دیگر، واکنش دهی کامپاند های اسیدی و قلیایی موجب تشکیل نمک های معدنی خواهد شد که بمرور و در ترکیب با اسید های چرب روغن منجر به تشکیل لجن و وارنیش خواهد شد (شکل زیر را ببینید).

بنابراین، یکی از راه های میدانی پی بردن به میزان عمر باقی مانده روغن می تواند مشاهده میزان تشکیل لجن و وارنیش در مدار روغنرسانی موتور یا ژنراتور باشد.

در خصوص ارتباط بین عدد BN یک روغن موتوری نو و میزان عناصری چون سولفور (گوگرد) و ازت (نیتروژن) حاضر در ترکیب شیمیایی یک سوخت دیزلی و، در عین حال، عدد اکتان یک سوخت بنزینی یا عدد ستان یک سوخت دیزلی توسط نویسنده این پست تحقیقات مفصلی انجام شده است که در قالب مقاله ای در نشریه Tribology in Industry کشور صربستان بزودی انتشار خواهد یافت. هدف از این مقاله، پیشنهاد فرمولی ریاضی برای محاسبه TBN یک روغن نو موتوری با توجه به میزان غلظت گوگرد و نیتروژن، یا عدد اکتان یا ستان سوخت مصرفی در یک موتور درونسوز است.